本發(fā)明涉及環(huán)境催化，具體涉及一種整體式雙功能催化劑、制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、特種密閉環(huán)境（潛艇，太空站等），空間狹小，設(shè)備種類繁多?；谌绱说沫h(huán)境之下，人類的正常新陳代謝，設(shè)備運(yùn)行，非金屬材料的揮發(fā)等所產(chǎn)生的氣體使得環(huán)境中的大氣情況復(fù)雜。大量的毒害物質(zhì)充斥于狹小的環(huán)境之中，危害著環(huán)境中人員的生命安全。

2、人類維持生命活動(dòng)需不停地吸入氧氣同時(shí)排出二氧化碳，而如此密閉環(huán)境中氧氣不能同自然環(huán)境中一樣被輕易攝取，反而需要各設(shè)備之間系統(tǒng)運(yùn)作而制備氧氣，但是隨著多種設(shè)備的運(yùn)行，密閉環(huán)境的大氣中除了氧氣之外還充斥了大量的毒害氣體如一氧化碳（co），可揮發(fā)性有機(jī)物（voc）以及其他異味氣體等毒害氣體。當(dāng)這些氣體的含量超標(biāo)過后，可能造成爆炸，人員中毒等危險(xiǎn)情況，嚴(yán)重危害人員的生命安全和健康，所以于密閉環(huán)境中構(gòu)建一個(gè)安全的大氣環(huán)境對(duì)處于此環(huán)境中的工作人員具有重大意義。

3、現(xiàn)有的凈化技術(shù)，如催化燃燒技術(shù)，低溫等離子體技術(shù)，光催化技術(shù)，新型吸附材料，生物凈化技術(shù)等均存在一定的缺陷導(dǎo)致應(yīng)用狀況并不理想。催化燃燒技術(shù)所需的高溫情況導(dǎo)致酸性氣體的產(chǎn)生同樣會(huì)危害人員的安全。低溫等離子技術(shù)效率高能耗低，但是反應(yīng)復(fù)雜各種污染物凈化條件不同，現(xiàn)階段難以應(yīng)用于復(fù)雜的密閉環(huán)境中。光催化技術(shù)同樣能耗低，效率高，但是受光源限制難以處理大量的，高濃度的污染氣體，同時(shí)其反應(yīng)同樣具有未知性，其氧化產(chǎn)物并不唯一可能造成毒害加重的情況。相比之下利用吸附材料更簡單方便，但是吸附材料同樣存在吸附飽和并不能循環(huán)利用，存在二次污染的問題。生物凈化技術(shù)有著良好的開發(fā)前景但目前生物凈化箱占據(jù)的空間太大于如此的密閉環(huán)境并不適用?；诜N種原因，目前最優(yōu)的凈化方案為催化氧化技術(shù)。

4、上述的凈化技術(shù)中最突出的問題就是凈化效率低，反應(yīng)時(shí)間長，二次污染等問題。利用催化氧化技術(shù)即可解決如上問題，利用合適的催化材料及載體即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜情況下的高效，快速地凈化大氣環(huán)境。

5、層狀雙金屬氫氧化物（layered?double?hydroxides,?ldh）是一種典型的層狀材料，面內(nèi)通過ho-m-oh的三明治結(jié)構(gòu)構(gòu)成，ldh較大的層間距可允許原子、離子或者分子進(jìn)行插層，這些插層結(jié)構(gòu)會(huì)影響ldh的電子分布，進(jìn)而影響表面電子結(jié)構(gòu)。同時(shí)ldh材料在高溫下也具有良好的二氧化碳吸附能力同時(shí)其表面的羥基可以促進(jìn)污染物的氧化。ldh的結(jié)構(gòu)和組成易于調(diào)節(jié)，ldh材料活性金屬陽離子在原子水平上分布均勻，從而提高了催化活性，也有利于在煅燒和還原過程中生成高度穩(wěn)定和分散的金屬物質(zhì)，在煅燒階段的強(qiáng)金屬-金屬氧化物支持相互作用，阻止了反應(yīng)過程中金屬顆粒的燒結(jié)。而氧化石墨烯(go)作為石墨烯的重要衍生物，含有足夠的含氧官能團(tuán)，被認(rèn)為是構(gòu)建多功能納米復(fù)合材料的潛在吸附位點(diǎn)和活性中心。因此，通過構(gòu)建ldh/go可以高效凈化毒害氣體。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供了一種整體式雙功能催化劑、制備方法及其應(yīng)用，通過該方法制得的整體式雙功能催化劑可用于特殊系統(tǒng)中，既可應(yīng)用于甲醛催化氧化反應(yīng)也可用于二氧化碳還原制甲醇，有效解決了現(xiàn)有凈化技術(shù)中存在的凈化效率低、反應(yīng)時(shí)間長和二次污染的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供一種整體式雙功能催化劑的制備方法，包括以下步驟：

3、s1、將過渡金屬鹽溶于堿性溶液中，然后進(jìn)行水熱反應(yīng)，再冷卻至室溫，得帶沉淀的溶液；

4、s2、將步驟s1所得帶沉淀的溶液中加入十六烷基三甲基溴化銨、陰離子配體和氯仿并攪拌；

5、s3、分離出水相和有機(jī)相中含有固體物質(zhì)的懸浮液并洗滌，然后離心得到沉淀，干燥后，得復(fù)合材料；

6、s4、將步驟s3所得復(fù)合材料加入氧化石墨烯溶液中攪拌并超聲，然后冷凍干燥，得催化劑粉末；

7、s5、將步驟s4所得催化劑粉末加入去離子水中，經(jīng)攪拌超聲后噴涂到薄膜上，然后經(jīng)自然干燥，得整體式雙功能催化劑。

8、進(jìn)一步，步驟s1中，過渡金屬鹽為鎳鹽、錳鹽、鈰鹽、鐵鹽、鋅鹽、鈷鹽和銅鹽中的兩種或三種。

9、進(jìn)一步，步驟s1中，堿性溶液為尿素溶液、氫氧化鈉溶液和氫氧化鉀溶液中的至少一種。

10、進(jìn)一步，步驟s1中，過渡金屬鹽中過渡金屬原子摩爾比為1-9:1-2或1-8:1-2:1-2。

11、進(jìn)一步，步驟s1中，過渡金屬鹽中過渡金屬原子摩爾比為1-9:1或1-8:1:1。

12、進(jìn)一步，步驟s1中，過渡金屬鹽和堿性溶液的質(zhì)量體積比為0.5-0.9?g:25-35?ml。

13、進(jìn)一步，步驟s1中，堿性溶液的濃度為0.2-0.4?mol/l。

14、進(jìn)一步，步驟s1中，以450-550?r/min的速率攪拌。

15、進(jìn)一步，步驟s1中，以500?r/min的速率攪拌。

16、進(jìn)一步，步驟s1，將溶解后的溶液放入50?ml的聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓釜中。

17、進(jìn)一步，步驟s1中，水熱反應(yīng)的溫度為80-200?℃，時(shí)間為2-12?h。

18、進(jìn)一步，步驟s2中，陰離子配體為硝酸鹽、硫酸鹽、氯鹽和乙酸鹽中的一種。

19、進(jìn)一步，步驟s2中，十六烷基三甲基溴化銨、陰離子配體、步驟s1所得帶沉淀的溶液和氯仿的物質(zhì)的量體積比為2mol:6mol:30ml:30ml。

20、進(jìn)一步，步驟s2中，攪拌1-2?h。

21、進(jìn)一步，步驟s2中，攪拌1?h。

22、進(jìn)一步，步驟s3中，洗滌的順序依次為用氯仿洗滌3-4次，然后用丙酮洗滌1-2次，再用水洗滌3-4次。

23、進(jìn)一步，步驟s3中，洗滌的順序依次為用氯仿洗滌3次，然后用丙酮洗滌1次，再用水洗滌3次。

24、進(jìn)一步，步驟s3中，以7500-8500?r/min的轉(zhuǎn)速離心5-10?min。

25、進(jìn)一步，步驟s3中，以8000?r/min的轉(zhuǎn)速離心5?min。

26、進(jìn)一步，步驟s3中，于60-100?℃下干燥12-48?h。

27、進(jìn)一步，步驟s4中，氧化石墨烯溶液的濃度為5-15?wt%。

28、進(jìn)一步，步驟s4中，氧化石墨烯溶液的濃度為10?wt%。

29、進(jìn)一步，步驟s4中，步驟s3所得復(fù)合材料與氧化石墨烯溶液的質(zhì)量體積比為9g:1ml。

30、進(jìn)一步，步驟s4中，超聲時(shí)間為30-60?min。

31、進(jìn)一步，步驟s4中，于-80?℃下冷凍干燥48-72?h。

32、進(jìn)一步，步驟s5中，步驟s4所得催化劑粉末與去離子水的質(zhì)量比為1g:100ml。

33、進(jìn)一步，步驟s5中，以450-550?r/min攪拌25-35?min并超聲25-35?min。

34、進(jìn)一步，步驟s5中，以500?r/min攪拌30?min并超聲30?min。

35、進(jìn)一步，步驟s5中，薄膜為玄武巖纖維薄膜、納米碳薄膜、納米氧化鋁薄膜和納米二氧化鈦薄膜中的一種。

36、采用上述整體式雙功能催化劑的制備方法制得的整體式雙功能催化劑。

37、上述整體式雙功能催化劑在特種密閉環(huán)境中凈化危害氣體的應(yīng)用。

38、上述整體式雙功能催化劑在特種密閉環(huán)境中凈化危害氣體的過程包括：

39、（1）調(diào)節(jié)氣泵，將環(huán)境中的氣體抽入系統(tǒng)；

40、（2）在泵的作用下環(huán)境中氣體進(jìn)入催化反應(yīng)艙；

41、（3）氣體經(jīng)過催化艙反應(yīng)后生成二氧化碳和水后進(jìn)一步進(jìn)入電解池反應(yīng)；

42、（4）在電解池中二氧化碳被反應(yīng)生成氧氣排向環(huán)境中以及生成甲醇收集。

43、一種凈化密閉環(huán)境中有害氣體的系統(tǒng)，包括上述整體式雙功能催化劑、催化反應(yīng)艙、電解池和泵。

44、上述凈化密閉環(huán)境中有害氣體的系統(tǒng)，包括催化反應(yīng)系統(tǒng)、電解系統(tǒng)、冷凝室和儲(chǔ)醇室，催化反應(yīng)系統(tǒng)與電解系統(tǒng)通過氣管連接打開，凈化密閉環(huán)境中有害氣體的系統(tǒng)初端設(shè)置有風(fēng)機(jī)和泵，催化反應(yīng)系統(tǒng)中設(shè)置有整體式雙功能催化劑；催化反應(yīng)系統(tǒng)與電解系統(tǒng)通過氣管連接打開，電解系統(tǒng)中設(shè)置有電解池，電解池內(nèi)，陰極板和陰極金屬網(wǎng)上設(shè)置有陰極催化劑，陽極金屬網(wǎng)和陽極板設(shè)置有陽極催化劑，電解系統(tǒng)中還設(shè)置有隔板、加熱套、多氣體檢測器、加/換液槽和陽離子交換膜；電解系統(tǒng)通過球閥與冷凝室相通，冷凝室與儲(chǔ)醇室相連，球閥的另一端與混合室相連。

45、本發(fā)明具有以下有益效果：

46、1、本發(fā)明提供了一種高效空氣凈化的催化劑，可解決傳統(tǒng)空氣凈化能耗高、效率低和二次污染的問題，可充分活化氧氣從而將甲醛等污染物一步催化氧化形成二氧化碳和水（室溫下驅(qū)動(dòng)hcho+o2→co2+h2o），不產(chǎn)生其他有毒副產(chǎn)物（例如co：hcho+1/2o2→co+h2o）。

47、2、通過本發(fā)明提供的方法制得的催化劑同時(shí)具有電催化二氧化碳還原功能，可以通過電催化技術(shù)將產(chǎn)生的二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為甲醇和氧氣（電催化驅(qū)動(dòng)co2+2h2o→ch3oh+3/2o2），一方面解決了在特種密閉環(huán)境下氣體排放的難題（例如潛艇中排放二氧化碳會(huì)被雷達(dá)追蹤到），另一方面實(shí)現(xiàn)了廢棄物資源化利用，可為特種設(shè)施提供氧氣環(huán)境和燃料甲醇。

48、3、通過本發(fā)明提供的方法制得的整體式雙功能催化劑可用于凈化密閉環(huán)境中有害氣體的系統(tǒng)中，既可應(yīng)用于污染氣體即甲醛的催化氧化反應(yīng)中，也可用于二氧化碳的燃料化利用即二氧化碳還原制甲醇。該凈化密閉環(huán)境中有害氣體的系統(tǒng)可持續(xù)地凈化環(huán)境中的甲醛。